Цианобактерии — строение, роль и особенности жизнедеятельности

Аутотрофы и гетеротрофы

Различают две большие группы живых организмов – автотрофы, способные получать органические вещества при помощи таких процессов, как фото- и хемосинтез, и гетеротрофы, требующие для своего питания готовую органику. Большинство бактерий, а также грибы не способны к фотосинтезу, потому что не имеют в своем составе специальных пигментов для автотрофного питания. В свою очередь, гетеротрофы делятся на симбионтов, паразитов, и сапрофитов.

Интересно, что синтез у аутотрофных прокариот происходит в более длинноволновом диапазоне, чем у растений. Зеленые бактерии способны синтезировать органические вещества, поглощая свет длиной волны до 850 нм, у пурпурных, содержащих бактериохлорофилл A, это происходит при длине волны до 900 нм, а у тех, которые содержат бактериохлорофилл B, – до 1100 нм. Если сделать анализ поглощения света in vivo, то окажется, что существует несколько пиков, и находятся они в инфракрасной области спектра. Эта особенность зеленых и пурпурных бактерий дает им возможность существовать в условиях наличия только невидимых инфракрасных лучей.

Одной из необычных разновидностей аутотрофного питания является хемосинтез. Это процесс, в котором энергию для образования органических веществ организм получает из реакции окислительного преобразования неорганических соединений. Фото- и хемосинтез у автотрофных бактерий сходны тем, что энергия от химической реакции окисления сначала накапливается в виде АТФ и только потом передается процессу ассимиляции. К числу видов, жизнедеятельность которых обеспечивает хемосинтез, относятся следующие:

1. Железобактерии. Существуют за счет окисления железа.
2. Нитрифицирующие. Хемосинтез этих микроорганизмов настроен на переработку аммиака. Многие являются симбионтами растений.
3. Серобактерии и тионобактерии. Перерабатывают соединения серы.
4. Водородные бактерии, хемосинтез которых позволяет им при высокой температуре окислять молекулярный водород.

Бактерии, питание которых обеспечивает хемосинтез, не способны к фотосинтезу, потому что не могут использовать в качестве источника энергии солнечный свет.

Фотосинтез хвойных деревьев — это интересно

Кажется логичным, что зимой жизнедеятельность растений резко снижается: прекращается рост, обмен веществ затормаживается, скорость дыхания уменьшается в сотни раз. Но эта вся история о листопадных деревьях, а что происходит с вечнозеленой хвоей — елями, пихтами, соснами и т. д.? По этому поводу учеными были проведены исследования, открывшие множество удивительных фактов. Оказывается, хвойные растения и зимние злаки способны усваивать углекислый газ даже при минусовой температуре, до -1-5 °С.

Не вдаваясь в сложные научные изыскания, опытным путем была выведена некая закономерность. При понижении отметки термометра до -13 С у разных растений началось резкое понижение скорости фотосинтеза. В список самых устойчивых к температурным перепадам попала сосна и ель обыкновенная, линнея северная и несколько видов мхов. Причем ряд мхов не теряли способность к поглощению СО2 даже под снежным покровом, превышающим 20 см.

Интенсивность проникновения световых лучей сквозь такой толстый слой снега снижалась примерно в 15-20 раз, но по факту скорость процессов фотосинтеза у покрытых и непокрытых растений оказалась одинаковой. Это удивительное явления имеет свое объяснение. Озимые и лишайники, оказавшиеся под снегом, пребывали в более комфортных климатических условиях, что и позволило им компенсировать спад фотосинтеза. Опыты показали, что затяжная зима не является преградой для поглощения углекислого газа вечнозелеными растениями.

Как преобразуется энергия в живых организмах?

Существует 3 основных разновидности энергии, преобразуемой организмами:

• Преобразование лучистой энергии. Этот вид энергии несёт солнечный свет. В растениях лучистая энергия улавливается пигментом хлорофиллом. В результате фотосинтеза она превращается в химическую энергию. Та, в свою очередь, используется в процессе синтеза кислорода и других реакциях. Солнечный свет несёт в себе кинетическую энергию, а в растениях она превращается в потенциальную. Полученный энергетический запас сохраняется в питательных веществах. К примеру, в углеводах;
• Преобразование химической энергии. Из углеводов и прочих молекул она превращается в энергию макроэргических фосфатных связей. Эти преобразования проходят в митохондриях.
• Преобразование энергии макроэргических фосфатных связей. Она расходуется клетками живого организма для совершения разных видов работ (механическая, электрическая, осмотическая и т. д.).

Преобразование энергии макроэргических фосфатных связей

Характеристика автотрофов

Для протекания процессов метаболизма живому существу необходима энергия, получаемая извне. Этот источник должен быть доступен, поскольку в связи со своим строением, большинство автотрофов практически неподвижны.

Таким образом, источником энергии для них является солнечный свет или эффект химических реакций. По такому признаку все автотрофы делятся на фототрофов и хемотрофов.

Фототрофам для создания органических соединений необходим свет. Благодаря присутствию в клетках хлоропластов, данный вид автотрофов способен фотосинтезировать. В этом процессе кванты света в ходе сложного химического взаимодействия превращаются в питательные вещества.

Хемотрофы получают энергию другим способом – из реакций окисления некоторых химических соединений.

Значение фототрофных бактерий

Фототрофные бактерии в природе играют огромную роль в круговороте различных веществ, значимых для жизни других организмов. Цианобактерии – занимают значительное место в круговороте углерода и азота, серобактерии – серы.

Научное значение фототрофных бактерий так же велико. Различные виды фотосинтезирующих прокариот используют для исследования процесса фотосинтеза в различных его аспектах, особенно начальные стадии. Пурпурные и зеленые бактерии используют для уточнения организации фотосинтетического аппарата, путей биосинтеза пигментов, метаболизма углерода, эволюции фотосинтезирующих форм и самого фотосинтеза.

Историческая перспектива

Ранее считалось, что растения получают пищу благодаря гумусу, присутствующему в почве, аналогично питанию животных. Эти мысли исходили от древних философов, таких как Эмпедокл и Аристотель. Они предположили, что корни ведут себя как пуповины или «рты», питающие растение.

Это видение постепенно менялось благодаря кропотливой работе десятков исследователей между семнадцатым и девятнадцатым веками, которые раскрыли основы фотосинтеза.

Наблюдения за фотосинтетическим процессом начались около 200 лет назад, когда Джозеф Пристли пришел к выводу, что фотосинтез является обратным клеточному дыханию. Этот исследователь обнаружил, что весь кислород, присутствующий в атмосфере, вырабатывается растениями в процессе фотосинтеза.

Впоследствии стали появляться убедительные доказательства того, что для эффективного протекания этого процесса необходимы вода, углекислый газ и солнечный свет.

В начале 19 века молекула хлорофилла была впервые выделена, и стало возможным понять, как фотосинтез приводит к хранению химической энергии.

Благодаря применению новаторских подходов, таких как стехиометрия газообмена, удалось идентифицировать крахмал как продукт фотосинтеза. Более того, фотосинтез был одной из первых тем в биологии, изучаемых с помощью стабильных изотопов.

Ареал обитания

Большая часть синезеленых водорослей обитает в пресных водоемах, морях, влажной почве, на скалистой местности, в горячих источниках, полостях тропических листьев, рисовых полях, на ледяных озерах Антарктики и в пустынях. Среда обитания может отличаться в зависимости от типа питания и биохимического состава бактерий. В редких случаях фотосинтезирующие организмы могут вступать в симбиоз с лишайниками и мхами. При помощи симбионта они получают продукты для фотосинтеза.

Отдельные виды цианобактерий имеют в своем составе токсины, отравляющие места их обитания. Они способны вызывать отравления представителей фауны и людей при попадании в искусственные водоемы или водохранилища.

При массовом размножении цианобактерии способны окрасить среду обитания в синий, зеленый или красный цвета. Ареал обитания лишается запасов кислорода и становится непригодным для жизни других организмов.

Цианобактерии могут появиться в аквариуме из-за отсутствия ухода. Они нарушают экологический баланс и наносят вред обитателям этого резервуара. Для борьбы с этими организмами необходимо тщательно промыть аквариум, заменить воду, убрать резервуар в затемненное место и использовать препарат «Эритромицин», предназначенный для удаления цветного налета.

Автотрофы и гетеротрофы – сходства и отличия

В связи с различиями в способах питания, организмы серьезно отличаются между собой внешне и на клеточном уровне. Они занимают разные места в пищевой цепочке, используют отличные друг от друга вещества для поддержания своей жизни.

Таблица 1

Сравнительная характеристика автотрофов и гетеротрофов

Тем не менее, являясь тесно связанными между собой представителями жизни на планете Земля, автотрофы и гетеротрофы имеют также схожие черты – потребность в питании, воде, кислороде, солнечном свете.

Что такое эвглена зеленая

Для примера можно взять самого яркого представителя рода эвглен — эвглена зеленая. Ее клетка содержит хлорофилл, прямо как у растений, поэтому она может питаться за счет процесса фотосинтеза. А в темноте эвглена зеленая питается как животное — пожирая органику вокруг себя. При этом она очень активно передвигается, еще один признак, который роднит ее с животными.

Эвглена зеленая под микроскопом

Эвглена имеет вытянутое тельце, на конце которого находится жгутик, с помощью него организм и передвигается. Жгутик ввинчивается в воду, при этом сама клетка крутится в другую сторону. Рядом со жгутиком у нее расположен клеточный рот для поглощения органической пищи. Кстати, жгутик тоже принимает в этом участие.

Эвглена зеленая отличается тем, что плывет в сторону света. Для этого в передней части клетки находится светочувствительное образование — глазок, имеющий красный цвет.

Фотосинтез и азотфиксация

Азотфиксация – процесс, который смогли освоить только прокариоты, организмы, не имеющие оформленных и окруженных мембраной ядер. Происходит он при помощи специального фермента, названого нитрогеназой. Азотфиксация является разновидностью хемосинтеза. Интересно, что азотфиксирующие хемосинтетические бактерии — облигатные анаэробы, могут одновременно иметь способность к фотосинтезу и наоборот, то есть являются хемо- и фотосинтетиками.

Многие азотфиксирующие бактерии способны к фотосинтезу. В первую очередь это цианобактерии. Строение клеток этих микроорганизмов позволяет им разделять во времени две фазы – днем они фотосинтезируют с образованием кислорода, а ночью занимаются азотфиксацией. Изучение жизненного цикла цианобактерии анабены (анабэны) продемонстрировало и другой механизм, позволяющий совмещать хемо- и фотосинтез в колонии бактерий. При снижении количества углекислого газа в окружающей среде, некоторые клетки прекращают фотосинтез и превращаются в гетероцисты, внутри которых начинается азотфиксация. Интересно, что при этом соседние клетки, имеющие различный метаболизм, способны обмениваться между собой его продуктами, обеспечивая существование всей колонии.

Ссылки

1. Берг, Дж. М., Страйер, Л., и Тимочко, Дж. Л. (2007). Биохимия. Я поменял направление.
2. Бланкеншип, Р. Э. (2010). Ранняя эволюция фотосинтеза. Физиология растений, 154(2), 434–438.
3. Кэмпбелл, А., Н., и Рис, Дж. Б. (2005). Биология. Panamerican Medical Ed.
4. Купер, Г. М., и Хаусман, Р. Э. (2004). Клетка: молекулярный подход. Medicinska naklada.
5. Кертис, Х., и Шнек, А. (2006). Приглашение к биологии. Panamerican Medical Ed.
6. Кертис, Х., и Шнек, А. (2008). Кертис. биология. Panamerican Medical Ed.
7. Итон-Рай, Дж. Дж., Трипати, Б. С. и Шарки, Т. Д. (ред.). (2011). Фотосинтез: биология пластид, преобразование энергии и ассимиляция углерода. (Том 34). Springer Science & Business Media.
8. Хоманн-Марриотт, М. Ф. и Бланкеншип, Р. Э. (2011). Эволюция фотосинтеза. Ежегодный обзор биологии растений, 62, 515-548.
9. Кулман, Дж., И Рем, К. Х. (2005). Биохимия: текст и атлас. Panamerican Medical Ed.
10. Паладе, Г. Э. и Розен, В. Г. (1986). Клеточная биология: фундаментальные исследования и приложения. Национальные академии.
11. Посада, Дж. О. С. (2005). Основы создания пастбищ и кормовых культур. Университет Антиокии.
12. Тайз, Л., и Зейгер, Э. (2007). Физиология растений. Университет Жауме I.

Как идет процесс фотосинтеза?

Световая фаза фотосинтеза для ЕГЭ и ОГЭ

Световая фаза проходит в хлоропластах на тилакоидах. Там хранится пигмент хлорофилл, с которого все начинается — именно из-за него растения имеют зеленую окраску. Квант света попадает на тилакоид и возбуждает молекулу хлорофилла. В этот момент инициируется процесс фотосинтеза. При этом выделяется энергия АТФ. 

Параллельно идет фотолиз воды. 

На что же может распасться молекула воды? На свободный кислород и водород. У каждого из этих элементов свой путь. 

Кислород — это сильный окислитель, буквально смерть для любой неспециализированной клетки, поэтому растения быстро от него избавляются, выделяя в атмосферу как побочный продукт. А уже из атмосферы аэробные организмы (в том числе, растения) поглощают его и используют для дыхания. Так что нам повезло! Не было бы процесса фотосинтеза, не было бы кислорода и что было бы с жизнью на нашей планете представить сложно. 

Но помимо кислорода, выделяется еще водород, если бы он был человеком, мы бы сказали, что он растерян и нуждается в помощи. На помощь к нему приходит молекула-переносчик НАДФ (полное ее название —никотинамиддинуклеотидфосфат, но мы ласково зовем ее НАДФ). Она использует водород для восстановления до НАДФ*Н₂. Задача этой молекулы переносить водород из тилакоидов в строму, поэтому мы называем ее молекула-переносчик. На этом световая фаза заканчивается.

• Квант света возбуждает молекулу хлорофилла
• Инициируется процесс фотосинтеза
• Выделяется АТФ
• Фотолиз воды
• Кислород выходит в окружающую среду как побочный продукт фотосинтеза
• Водород соединяется с молекулой переносчиком НАДФ*

Темновая фаза фотосинтеза для ЕГЭ и ОГЭ

В некоторых источниках эту фазу еще называют светонезависимой фазой. Действительно, название «темновая стадия» часто вызывает затруднения. Кажется, что световая проходит на свету, а темновая тогда в темноте, но это не так. Для темновой фазы действительно не нужен свет, соответственно, у нее есть варианты — может  проходить и на свету, и в темноте. Она идет  практически параллельно со световой и в ней используются продукты, образовавшиеся в световой фазе. 

Для того чтобы фазы друг другу не мешали, они проходят в разных частях хлоропласта. Световая, как мы уже выяснили, идет на тилакоидах, а темновая в строме — это внутренняя полужидкая среда хлоропласта.

В строму приходят АТФ, молекула-переносчик приносит водород. Но из водорода и энергии ничего органического создать не получится, нужны еще элементы. Растения нашли гениальный выход, они используют вещество, которого достаточно в атмосфере, следовательно, за него нет конкуренции. Это вещество — углекислый газ. 

История открытия и исследования

В биологии определение, что такое цианобактерии, было сформулировано нидерландским ученым Антонио Ван Левенгуком в XVIII столетии. Он занимался изучением бактериальных клеток совместно с французским химиком Луи Пастером и выявил особенности строения и жизнедеятельности водорослей. В результате исследований было обнаружено, что первые организмы, способные производить кислород, появились на Земле несколько миллионов лет назад. Благодаря изобретению микроскопа, исследователи смогли изобразить точную структуру цианобактерий.

Современные исследования первых бактерий, способных синтезировать кислород, проводятся учеными-палеонтологами при помощи изучения останков водорослей, сохранившихся на древних горных породах.

На основе анализа исследователи выявили, что эти организмы обладают высокими показателями выносливости. Они сохранили свое строение после изменений в температурном и химическом составе планеты.

Во второй половине XX — начале XXI вв. синезеленые водоросли были включены в царство бактерий. Они образовали отдельное подцарство цианобактерий.

Энциклопедический словарьюного биолога

Фотосинтез

Фотосинтез — это процесс поглощения организмами световой солнечной энергии и преобразования ее в химическую энергию. Кроме зеленыл растений, водорослей к фотосинтезу способны и другие организмы — некоторые простейшие, бактерии (цианобактерии, пурпурные, зеленые, галобактерии). Процесс фотосинтеза у этих групп организмов имеет свои особенности.

При фотосинтезе под действием света с обязательным участием пигментов (хлорофилла — у высших растений и бактериохлорофилла — у фотосинтезирующих бактерий) из углекислого газа и воды образуется органическое вещество. У зеленых растений выделяется при этом кислород.

Все фотосинтезирующие организмы называются фототрофами, поскольку для получения энергии они используют солнечный свет. За счет энергии этого уникального процесса существуют все остальные, гетеротрофные организмы на нашей планете (см. Автотрофы, Гетеротрофы).

Процесс фотосинтеза идет в пластидах клетки — хлоропластах. Компоненты фотосинтеза — пигменты (зеленые — хлорофиллы и желтые — каротиноиды), ферменты и другие соединения — упорядоченно располагаются в мембране тилакоидов или строме хлоропласта.

Молекула хлорофилла имеет систему сопряженных двойных связей, благодаря чему при поглощении кванта света она способна перейти в возбужденное состояние, т. е. один из ее электронов изменяет свое положение, поднимаясь на более высокий энергетический уровень. Это возбуждение передается так называемой основной молекуле хлорофилла, которая способна к разделению заряда: отдает электрон акцептору, который отправляет его по системе переносчиков в электронно-транспортную цепь, где электрон отдает энергию в окислительно-восстановительных реакциях. За счет этой энергии протоны водорода «перекачиваются» с внешней стороны мембраны тилакоидов на внутреннюю. Образуется разность потенциалов водородных ионов, энергия которой идет на синтез АТФ (см. Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Образование АТФ в процессе фотосинтеза называется фотофосфо-рилированием в отличие от окислительного фосфорилирования, т. е. образования АТФ за счет процесса дыхания.

Схема фотосинтеза.

Молекула хлорофилла, отдавая электрон, окисляется. Возникает так называемая электронная недостаточность. Чтобы процесс фотосинтеза не прерывался, она должна быть возмещена другим электроном. Откуда же он берется? Оказывается, источник электронов, а также протонов (помните, они создают разность потенциалов по обе стороны мембраны) — вода. Под действием солнечного света, а также с участием особого фермента зеленое растение способно фотоокислять воду:

Полученные таким образом электроны заполняют электронную недостаточность в молекуле хлорофилла, протоны же идут на восстановление НАДФ (активной группы ферментов, транспортирующих водород), образуя еще один энергетический эквивалент НАДФ- Н в дополнение к АТФ. Помимо электронов и протонов при фотоокислении воды образуется кислород, благодаря которому атмосфера Земли пригодна для дыхания.

Энергетические эквиваленты АТФ и НАДФ-Н расходуют свою энергию макро-эргических связей на нужды клетки — на движение цитоплазмы, транспорт ионов через мембраны, синтез веществ и т. д., а также обеспечивают энергией темновые биохимические реакции фотосинтеза, в результате которых синтезируются простые углеводы и крахмал. Эти органические вещества служат субстратом для дыхания или расходуются на рост и накопление биомассы растения.

Продуктивность сельскохозяйственных растений тесно связана с интенсивностью фотосинтеза.

Первые фотосинтетические формы жизни

В свете эволюции фотосинтез представляется чрезвычайно древним процессом. Существует множество свидетельств того, что происхождение этого пути приближается к появлению первых форм жизни.

Что касается происхождения эукариот, есть неопровержимые доказательства того, что эндосимбиоз является наиболее правдоподобным объяснением этого процесса.

Таким образом, организмы, напоминающие цианобактерии, могут стать хлоропластами благодаря эндосимбиотическим отношениям с более крупными прокариотами. Следовательно, эволюционное происхождение фотосинтеза зарождается в бактериальной области и может распространяться благодаря массовым и повторяющимся событиям горизонтального переноса генов.

Фотографиисистемы

Фотосистема I состоит из молекулы хлорофилла с пиком поглощения 700 нанометров, поэтому ее называют P₇₀₀. Точно так же пик поглощения фотосистемы II составляет 680, сокращенно P₆₈₀.

Задача фотосистемы I — производство НАДФН, а задача фотосистемы II — синтез АТФ. Энергия, используемая фотосистемой II, исходит от разрушения молекулы воды, высвобождения протонов и создания нового градиента через тилакоидную мембрану.

Электроны, полученные в результате распада, передаются жирорастворимому соединению: пластохинону, которое переносит электроны из фотосистемы II в комплекс цитохрома. БФ генерируя дополнительную накачку протонов.

Из фотосистемы II электроны перемещаются в пластоцианин и фотосистему I, которая использует электроны высокой энергии для восстановления НАДФ.+ в НАДФН. Электроны в конечном итоге достигают ферродоксина и генерируют НАДФН.